傾角傳感器說明

傾角傳感器簡介3.1傾角傳感器的分類與比較傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平距離和物體的高度的測量，從工作原理上可分為固體擺式、液體擺式、氣體擺式三種傾角傳感器，這三種傾角傳感器都是利用地球萬有引力的作用，將傳感器敏感器件對大地的姿態(tài)角，即與大地引力的夾角(傾角)這一物理量，轉(zhuǎn)換成模擬信號或脈沖信號，他們的原理分別介紹如下：3.1.1固體擺式傾角傳感器固體擺在設(shè)計(jì)中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng)，如圖1所示，其由擺錘、擺線、支架組成，擺錘受重力G和擺拉力T的作用，其合外力F為：Gsin.日=mgsin日(1)式中的9為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內(nèi)測量時(shí)，可以認(rèn)為F與e成線性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就是基于此原理。3.1.2液體擺式傾角傳感器液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時(shí)，電極插入導(dǎo)電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻RI3所示，左邊電極浸入深度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻RI減少，即RI>RIII。反之，若傾斜方向相反，則RIVRIII。增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII和RIII。若液體擺水平時(shí)，則RI=RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實(shí)用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí)氣泡會運(yùn)動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。閤2液體擺原理審意閤3.1.3氣體擺式傾角傳感器氣體在受熱時(shí)受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質(zhì)量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性?！皻怏w擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當(dāng)腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時(shí)，熱線的阻值發(fā)生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應(yīng)。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的?！皻怏w擺”式慣性器件的敏感機(jī)理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是唯一的熱源。當(dāng)裝置通電時(shí)，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。對流傳熱的方程為：S=0“如=啦丁”-TJ(2)其中：h—熱量傳遞系數(shù)(w/m2-ft)，s一熱線表面積(m2)，TH—熱線溫度(K)，TA—?dú)怏w溫度(K)。熱量傳遞系數(shù)h與流體的熱傳導(dǎo)率、動力學(xué)粘度、流體速度和熱線直徑有關(guān)，表示為：h■ ■—其中:Nu一為努塞爾（Nusselt）數(shù),—熱傳導(dǎo)率（W/mK）,Re一雷諾（Reynold）,U—流體速度（m2/s）,D—熱線的直徑（m）,n—流體的動力學(xué)粘度。當(dāng)氣體以流體速度U垂直穿過熱線時(shí)，N=24+1.^LL ,（4）將（4）式帶入（3）式式得："訊4十山屮］（5）根據(jù)熱平衡方程得：■= =I.-1 『=Az宀（幾V所以，⑹假設(shè)和s為常數(shù)，則有:：：(7)從式(7)可以看出，當(dāng)流體的動力學(xué)粘度、密度和熱傳導(dǎo)特性一定時(shí)，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。氣體擺式慣性器件就是根據(jù)這一原理研制的。氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產(chǎn)生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態(tài)時(shí)如圖4(a)所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過它們的速度相同，即V7)可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當(dāng)密閉腔體傾斜時(shí)，熱線相對水平面的高度發(fā)生了變化，如圖4(b)所示，因?yàn)槊荛]腔體中氣體的流動是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運(yùn)動的過程中，依次經(jīng)過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經(jīng)與下部熱線的產(chǎn)生熱交換，使穿過兩根熱線時(shí)的氣流速度不同，這時(shí)V>V2，因此流過兩根熱線的電流也會發(fā)生相應(yīng)的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個(gè)電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。3.1.4固、液、氣體擺性能比較就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質(zhì)量是擺錘質(zhì)量，液體擺的敏感質(zhì)量是電解液，而氣體擺的敏感質(zhì)量是氣體。氣體是密封腔體內(nèi)的唯一運(yùn)動體，它的質(zhì)量較小，在大沖擊或高過載時(shí)產(chǎn)生的慣性力也很小，所以具有較強(qiáng)的抗振動或沖擊能力。但氣體運(yùn)動控制較為復(fù)雜，影響其運(yùn)動的因素較多，其精度無法達(dá)到軍用武器系統(tǒng)的要求。固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機(jī)理基本上與加速度傳感器相同。在實(shí)用中產(chǎn)品類型較多如電磁擺式，其產(chǎn)品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統(tǒng)中應(yīng)用也較為廣泛。液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛，且國內(nèi)外產(chǎn)品多為此類。SCA100T雙軸傾角傳感器簡介SCA100T傳感器結(jié)構(gòu)和特性SCA100T傳感器是芬蘭VTI公司2005年最新推出的利用MEMS技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的高精度雙軸傾角傳感器體積小重輕僅1.2克。MEMS(microelectromechanicalsystem)是二十一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片加工出完整的微型電子機(jī)械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機(jī)械結(jié)構(gòu)、以及信號處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件，把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。該器件內(nèi)部包含了一個(gè)硅敏感微電容傳感器和一個(gè)ASIC專用集成電路,ASIC電路集成EEPROM存儲器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口組成了一個(gè)完整的數(shù)字化傳感器，有±30°和±90°兩種量程。SCA100T的主要特性SCA100T傳感器主要特性如下：XY雙軸高分辨率雙向測量；單電源+5VDC供電，工作電流3Ma；串行外部接口(SPI)兼容，輸出傾角和溫度信號；量程±30°(±0.5g)或±90°(±1.0g)；輸出靈敏度4V/g(±0.5g)或2V/g(±1.0g)；模擬量輸出和11位數(shù)字量輸出；7） A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間150毫秒;8） 內(nèi)置溫度傳感器和溫度補(bǔ)償;9） 數(shù)字激活內(nèi)部故障自測試；10） 長期穩(wěn)定性高；11） 噪聲低，工作溫度范圍寬（-40°C?+125°C）；12） 可承受超過20000g的機(jī)械沖擊SCA100T的電器條件和極限條件風(fēng)Mi典里值單位供電4.7555.25V消耗電流4bmA模擬輸出阻抗10kQ機(jī)擬輸出阻抗20nF數(shù)宇輸出阻抗1nFSPI輸出頻率5U0KHZAD轉(zhuǎn)換時(shí)間1501'5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間38msSCA100T的極限條件如下圖所示:值單輸加連度（1:電或者沒有上電｝20000G供電-0.3到55V愉入輸巾引腳電壓-0.3S)Vdd+0.3V溫度-55到125攝氏度SCA100T的封裝和引腳功能SCA100T傾角傳感器件采用塑料SMD封裝,DIL-12腳，無鉛回流焊接，引腳在說明和排列分別見表:

引腳引唧君字uo連摟1SCKliip出Serialtlutk1E心」liipii!X.*:譏旨externalCarp-iiLiUiri.upu[(Cti]i3MISOOutputMasterinslaveouhdiXTaontpiit4M1SI[npulMi：is[eriml in:diilaiinput5Olj[_2OLilpul丫軸窗h6VSSPowrN亡guiiesupplyvokage(VSS)7CSB[npuilChipsrlecE(activelow)Ext_C_?[npurlYaxis亡孟151汕Capacitoriiiput(Ch2)9ST_2InpiinSelftestinputFarY4ixis(Ch2)10ST_l/Tcst[npunSelltesliinputforkaxis(Chf|]QuL]OulpufX軸輸出12VDDPower供電曲一方向冷Hh曲吊嚴(yán)巧I丄 曲一方向冷Hh曲吊嚴(yán)巧I丄 i 丨LJiJ' 蟲1”2aSCA100T的封裝J~L匸c—r」3.03產(chǎn)品型號SCA100T的引腳功能SCA100T的優(yōu)勢與應(yīng)用SCA100T傾角傳感器和傳統(tǒng)的傾角傳感器相比，具有長期穩(wěn)定性好，溫度特性優(yōu)良，抗沖擊能力強(qiáng)，測量精確度高，測量方便等等優(yōu)勢。SCA100T傾角傳感器廣泛應(yīng)用于雙軸平臺調(diào)平，傾角測量，垂直方向的各種角度的測來。3.3傾角傳感器發(fā)展趨勢與產(chǎn)品現(xiàn)狀目前生產(chǎn)傾角傳感器的廠商較少，但就產(chǎn)品而言，單軸傾角傳感器居多，且分辨率較高。就國內(nèi)產(chǎn)品而言，傳感器與電路集成較少，且大多只提供模擬量輸出。就傳感器發(fā)展?fàn)顩r而言，從收集資料看，北京信息工程學(xué)院的產(chǎn)品在小型化及產(chǎn)品精度等指標(biāo)方面較領(lǐng)先，如膜電位傾角傳感器。就網(wǎng)絡(luò)查詢反饋看，產(chǎn)品主要集中在歐美幾家大公司，如英國的Clino公司、德國的西門子公司、美國的CrossBowTechnology公司、Atmos工程公司、Fredericks公司以及美國數(shù)字公司。就國外產(chǎn)品種類而言，其數(shù)量也較少，但從數(shù)字化、小型化、精度、重量、使用溫度范圍及線性度等指標(biāo)而言，具有較高的實(shí)用價(jià)值。如LS系列產(chǎn)品分辨率可達(dá)到1.8，英國Clino公司SP系列產(chǎn)品高度只有22rnm，特殊的可達(dá)到16mm，可用于一些特殊場合。CrossBow公司CXTA、美國數(shù)子公司A2產(chǎn)品均屬于數(shù)字產(chǎn)品，可以通過接口板直接與計(jì)算機(jī)相連。同時(shí)在查閱的過程中可以看出，加速度傳感器由于其動態(tài)性能好，精度高，因此在傾角測量中也得到廣泛的應(yīng)用。傾角測量在地球上任何位置的物體都受到重力的作用（F二mgn），即任意的質(zhì)量塊會受到一個(gè)重力加速度的作用，采用加速度傳感器即可測出這個(gè)重力加速度。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，則加速度傳感器感受到的加速度a0=gn;當(dāng)物體姿態(tài)改變時(shí)，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動角度，則傳感器受到的加速度變?yōu)閍1=gncos，如圖1所示，因此可以通過測量加速度的變化來反映物體姿態(tài)的變化。

用雙軸傾角測量時(shí)，其原理是用歐拉角的形式表示一個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動，設(shè)OENg為定坐標(biāo)系，有一動坐標(biāo)系0X0Y0Z0,起始時(shí)刻與定坐標(biāo)系各軸重合,經(jīng)過繞E軸、N軸0>角轉(zhuǎn)動之后，達(dá)到它的新位置OXYZ。則有5.2.2SCA100T雙軸傾角傳感器原理本系統(tǒng)采用SCA100T雙軸傾角傳感器，它是一種靜態(tài)加速度傳感器，當(dāng)加速度傳感器靜止時(shí)（也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用）作用在它上面的只有重力加速度。重力（垂直）和加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。VTI的硅電容式傳感器由一對平行板組成在發(fā)生傾角變化時(shí)質(zhì)量塊受到重力作用，改變了平行板間距引起電容里變化，從而測量出角度變化。圖2水平放置方法加速度敏感軸信號輸出與重力加速度之間關(guān)系如下Ax二g.sin(a)Ay二g.sin(B)其中Ax和Ay代表加速度傳感器的輸出，g是以重力作為參考的加速度值,而a和B是傾斜角度。為了計(jì)算傾斜角度通過反正弦方程可以得到：a二sin-l(Ax/g)B二sin—1(Ay/g)當(dāng)放置的角度在±60度的范圍內(nèi)有很好的分辨率，當(dāng)大于土60度時(shí)，傳感器將變得不靈敏(此時(shí)arcsin函數(shù)逐漸接近水平位置)，當(dāng)傾角接近90度時(shí)則無法測量。由于本系統(tǒng)使用的SCA100T為4V/g的傳感器，模擬輸出的電壓范圍為0?5V,則模擬輸出2.5V時(shí)所代表的位置為水平位置，代入4/g可求得*mix的值為38.7度?？紤]到儀器的傾斜不應(yīng)該大于±30度(如果大于土30度只能重新安裝)，所以傳感器安裝時(shí)采用此種水平放置方法。6.1.3測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換SCA100T傾角傳感器計(jì)X軸和Y軸分別有l(wèi)ibit滿量程輸出，輸出數(shù)據(jù)和傳感器位置關(guān)系如表3所示。表3輸出數(shù)據(jù)和傳感器位置關(guān)系傳感器位置-30(-90°)0°+30(+90°)輸出數(shù)據(jù)(一進(jìn)制)000000000001000000000011111111111傾角計(jì)用于檢測角度變化的硅質(zhì)量塊位置與地球引力的關(guān)系是一個(gè)正弦函數(shù)，在±30°角變化時(shí)傳感器輸出量與角度呈較好的線性關(guān)系，當(dāng)大于±60°變化時(shí)傳感器輸出量變緩，靈敏度降低，因此在±90°測量時(shí)，計(jì)算機(jī)對輸出數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理，對非線性變化部分采用查表方式處理或用其他方式補(bǔ)償。由于SAC傳感器對溫度非常敏感，所以測試的時(shí)候要對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，對該傳感器溫度補(bǔ)償是通過SPI執(zhí)行RWTR命令可以讀出溫度傳感器數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)有8bit